computación fisica - interfases hombre máquina

TALLER DE INTRODUCCIÓN A LA COMPUTACIÓN FÍSICA

protoLABFacilitadores:Carmen GonzalezLeslie Garcia


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Sesion 1:A- Conceptos básicos B- Interacción.C- TransduccionD- DIgital y Análogo.E- Paralelo y Serial.F- Las Herramientas.

Sesion 2:G - Electricidad.H- Componentes eléctricos.I- Microcontrolador arduinoJ- La tarjeta y sus funcionesk- IDE Arduino.

Sesion 3:L- Primeros circuitos.M- Como leer un diagrama.N- Lectura de sensores DigitalesEjercicios de electronica y programacion

Sesion 4:O- Programando en arduinoP - principios de programación de arduino y su relación con processing y wiring.Q -Lectura de sensores análogosR - Mas sensores y Actuadores.

Sesion 5:S- Describiendo un proyecto InteractivoT- Planeacion de un proyecto InteractivoU- Seleccionando sensores y Actuadores.

Sesion 6: Diseñando nuestro primer prototipoDefiniendo el enclosureDesarrollo de prototipos

Sesion 7: Desarrollo de prototiposIntercambio de experiencias

Sesion 8:Desarrollo de prototiposUltimos detalles.


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Conceptos básicos de computación física.

La computación física se trata de crear una conversación entre el mundo físico y el mundo virtual de las computadoras. El proceso de TRANSDUCCION o la capacidad de convertir una forma de energía en otra es lo que nos permite generar el intercambio de información entre estos dos mundos.

El trabajo principal que se realiza en esta área, es comprender el funcionamientos de los TRANSDUC-TORES para poder convertir la energía física, que provendrá de la fuente de interacción de nuestros proyectos, en energía eléctrica, la cual es utilizada por los ordenadores.

A- Interacción.

El termino de interacción es confuso y en algunas ocasiones se utiliza de manera equivocada. *Chris Crawford, define Interacción como: " un proceso iterativo ( de repetición ) de escuchar , pensar y hablar entre dos o mas actores".

Esta definición nos sirve para comprender el proceso de la mayoría de los proyectos que se desarrollan en el área de la computación física, aunque en términos de computación los nombraremos como : INPUT, PROCESSING. y OUTPUT.

1- INPUT.Input se refiere a la actividad de procesar información del exterior hacia la computadora. Percibir actividad del exterior a partir de circuitos electrónicos, es la fase mas sencilla del proceso.

2- OUTPUTLos proyectos mas interesantes de computación física, son aquellos que no solamente perciben el mundo exterior ; si no que también lo cambien o lo modifican. De forma general el OUTPUT de un proyecto puede involucrar procesos eléctricos ( opuestos a electrónicos) y mecánicos.

3- PROCESSING.input y Output son las fases físicas . Processing requiere de una computadora para leer el input y tomar decisiones respecto a los cambios que lee del exterior, para poder activar los Outputs o para enviar mensajes a otras computadoras.


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B- Transducción

Uno de los principios en la computación física es la Transducción o la conversión de una forma de energía en otra. Los transductores son los elementos principales de un sistema de computación física, ellos son los ojos, los oídos, la boca, las piernas de nuestros sistemas.

El mayor reto en la computación física es obtener las capacidades necesarias para poder convertir varias formas de energía, como , temperatura, fuerza, peso, en energía electrónica para que la computadora pueda comprender la información que fluye hacia ella.

INPUT TRANSDUCERS ( Sensores) son aquellos que nos permiten leer la información del exterior como los : switches, o las resistencias variables, ademas de que al tiempo de la lectura convierten esta infor-mación en energía eléctrica.

OUTPUT TRANSDUCERS (Actuadores) son aquellos que convierten la energía eléctrica en información que el cuerpo físico puede comprender, como el sonido, el movimiento , la luz.

C- DIgital y Análogo.

D- Paralelo y Serial.

Estos términos nos sirven para comprender la cantidad de eventos que ocurren en un determinado tiempo, entre nuestra computadora y los sensores o actuadores con los que vamos a trabajar.

Serial. En términos de computación física definimos serial como eventos que ocurren una sola vez, o como un solo tipo de mensajes.

ON

OFF

UNO

CERO

Para hablar de digital o análogo es necesario com-prender que estamos hablando del tipo de señal que procesaremos del exterior hacia nuestra computa-dora y viceversa.

Digital es representada por valores discretos comprende solamente dos estados, que pueden definirse como encendido / apagado.

Cuando hablamos de rangos continuos de infor-mación como amplitud de señal y periodos de tiempo nos estamos refiriendo a datos Análogos.

En computacion fisica nos referimos a estos estados como binario y continuo.

200

-200

0

Digital

Analogo


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En términos de electrónica serial es cuando un grupo de componentes se conectan de forma directa a una sola fuente de energía, y esta energía fluye de un componente a otro, uno a la vez.

Paralelo. En términos de computación física paralelo implica múltiples eventos en un mismo periodo de tiempo, esto puede ser la lectura de distintos sensores en un mismo momento.

En términos de electrónica. es cuando un grupo de componentes se conectan de forma directa a una misma fuente pero en cambio del serial en paralelo la energía fluye en todos los componentes al mismo tiempo.

E- Las Herramientas.

Cuando trabajamos con proyectos que involucran ciertos niveles de habilidad técnica, llegamos a sentirnos intimidados por las herramientas que son necesarias para poder desarrollarlo.

En términos de computación física trabajaremos con lo que se denomina herramientas de Alto Nivel de Abstracción, estas herramientas nos permitirán obtener resultados de manera mas rápida e intuitiva.

Utilizaremos programas como Max/Msp, PureData, Processing, OpenFrameworks y Arduino en lugar de ActionScript, java, c++, o asembly, los cuales requieren un nivel mas alto de conocimientos y mucho mas tiempo de trabajo para lograr resultados. En cambio con herramientas de alto nivel de abstracción nos es posible probar una idea de manera rápida y en caso de que no funcione podemos seguir adelante con otra variación, antes de haber invertido demasiados recursos técnicos y emocionales.

1- Circuitos

Para procesar información del exterior, es necesario hacer algunos circuitos, los cuales funcionan como el puente entre los sensores, el mundo exterior y tu computadora.

Para poder llevar a cabo este trabajo tendremos que introducirnos un poco en el mundo de la electrónica, conocer los nombres y funcionamiento de algunos componentes y principalmente comprender cual es el comportamiento de la electricidad.

Arduino Fritzing Processing Pure Data Max/Msp


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2- Computadoras

Podríamos pensar que la palabra computadora y físico no se la mejor combinación, ya que el mundo de la computación se trata principalmente de transcender las barreras del tiempo y del espacio, mientras que la computación física trata de reconocer que los seres humanos somos entidades física que requieren con-tacto directo con el mundo que los rodea. La computadoras son una herramienta importante todo nuestro trabajo en sentido de proceso ocurrirá dentro de un ordenador.

3- Microcontroladores.

La computadora principal que se utiliza en la computación física es el microcontrolador. Se trata del ordenaro mas sencillo que procesa pulsaciones eléctricas. los microcontroladores son buenos, para 3 tareas principales, recibir información de los sensores, controlar componentes como motores y enviar información a otras computadoras o interfaces. Existen varios tipos de controladores, como basic stamp, pic, o sx, nosotros vamos a centrar nuestra atención en un microcontrolador : arduino. Se trata de una plataforma de hardware open source , el porgrama para controlar el microcontrolador esta basado en la interface de Processing ( proyecto de Ben Fry y Casey Reas) y el Hardware se basa en Wiring un proyecto desarrollado por Hernando Barragan.

4- Programación.

La programación es una área muy extensa como para cubrirse en un solo taller, hay una gran cantidad de lenguajes disponibles para elegir. En este caso no interesan dos tipo de programación la primera y la que abordaremos durante el taller de manera detallada es la programación de microcontroladores, y la segunda que trataremos de abordar de manera breve es la programación multimedia.

Hemos selecciona arduino como nuestro programa principal no solo por ser open source, si no también por su capacidad multi plataforma, lo cual garantiza que podremos trabajar en cualquier computadora.

ArduinoWiring


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F- Electricidad.http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad

Antes de comenzar a trabajar necesitamos comprender el comportamiento de la electricidad.

La mayoría de los aparatos eléctricos y electrónicos utilizan el hecho de que los electrones tienen la tendencia a ir del punto con mayor energía eléctrica a un punto con menor energía. si conectamos un cable a la terminal positiva de una batería y a la termina negativo y agregamos un led (o cualquier otro conduc-tor) en medio de estos dos puntos, estamos generando una ruta a través de la cual fluirá la electricidad. en este caso resultando en el encendido de un led.

La energía eléctrica siempre toma la ruta con menos resistencia hacia la tierra(ground), entre mejor sea el conductor mas sencillo será el desplazamiento de los electrones.

Un circuito electrónico es un loop cerrado que contiene una fuente de energía eléctrica y una serie de conductores. En este caso pensaremos en un circuito compuesto por una batería, y un motor dc.

La energía positiva de la batería fluye a través de los cables hasta el motor y luego a la terminal negativa de la batería. El motor es capas de resistir el flujo de la energía convirtiendola en movimiento.

Este circuito nos muestra como la energía eléctrica se puede convertir en otras formas de energía, en este caso en movimiento. Pero nosotros estamos interesado en generar circuitos donde sea necesario algún tipo de intereccion humana, para lograr esto agregamos uno de los sensores mas básicos, un switch. El switch es basicamente un Break (o corte) que impide a los electrones seguir su flujo natural, cuando accio-namos el switch, cerramos el circuito permitiendo a los electrones fluir.

Motor

bateriaFlujo electrico

MovimientoCircuito Basico


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Hay 3 elementos que es indispensable considerar cuando trabajamos con circuitos electricos:

Voltaje:Es el nivel de energía relativa que existe entre dos puntos por ejemplo entre power y ground. El voltage se mide en volts.

Corriente: La cantidad de energía que fluye entre esos dos puntos es conocida como la corriente. La corriente se mide en amperes.

Resistencia:de cualquier componente eléctrico para permitir el flujo de la electricidad. La resistencia se mide en ohms.

voltaje = corriente x resistencia / corriente = voltaje/resistencia / resistencia = corriente/voltaje

La combinación de corriente y voltaje se denomina Wattage, y se mide en watts, la relación es la siguiente:

watts= voltios x amperes / voltios = watts x amperes / amperes = voltios x watts

Hay dos propiedasdes básica de la energía eléctrica, que nos ayudaran a comprender como es que nues-tros circuitos funcionan.

1- La electricidad siempre toma la ruta con menos resistencia hacia la tierra.

Esto quiere decir que la electricidad siempre tiene dos posibles rutas, y siempre va tomar la ruta que ofrezca menos resistencia.

Motor

bateria

Flujo electrico

Movimiento

switch

Circuito con switch


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2- Toda la energía eléctrica en un circuito debe utilizarse.

Esto quiere decir que los componentes en tu circuito deben consumir toda la energía que les estamos proporcionando, de lo contrario se generara un sobrecarga de electricidad resultando en que tu circuito se queme.

G- Componentes eléctricos.

Es importante conocer las partes electrónicas con los que trabajaremos, asi que aquí vamos a describir de manera muy sencilla las funciones de estos componentes.

Protobord / Breadboard

El protoboard será un elemento indispensable en todos tus circuitos. Un protoboard es una herramienta que nos sirve para mantener los componentes de un circuito conectados. Cuenta con una serie de perforaciones que diseñadas para conectar cables y componentes electrónicos de manera muy sencilla y rápida. Cuando se trata de diseñar y probar un circuitoel protoboar nos permite realizar cambios sobre la marcha, si nesecidad de soldar y desoldar para comprobar que nuestro prototipo funciona.

Switches

Los switches esta diseñados para interrumpir o permir el flujo de electricidad. Un switch sencillo esta compuesto por dos patas conectadas a dos contactos, regulamente su diseño es mecanico y muy sencillo.

Los switches son nominados por el maximo de voltage y corriente que pueden conducir, entonces un switch para manipular 120 volts, funciona perfectamente con un circuito de 5v, 9v o 12v.

Existen switches normally open ( N.O ) y normally closed (N.C.)Tambien los hay momentary o toggle, un boton momentario es aquel que se desactiva cuando uno deja de presionarlo, los toggle por su parte permanecen en su posición.


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Resistencias.

Las resistencias cuenta con dos patas sin polaridad ( un lado negativo y otro positivo) esto nos permite intercambiar su posición. Las resistencias son nominadas en ohms y en watts, los ohms nos indican cuanta resistencia pueden ofrecer y los watts el máximo de voltaje que pueden manejar.

El valor de una resistencia se puede medir a traves de las bandas de colores. utilizando el siguiente mapa.


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Resistencias Variables.

La resistencias variables resisten el flujo de la electricidad en diferentes grados. Existen diferentes tipo de resistencias variables como, la fotoresistencias, las resistencias térmicas, los flexiforce, los potenciomen-tros. Estos son uno de los principales transductores que utilizaremos durante el taller, ya que cada uno de ellos convierte una forma especifica de energía.

Capacitores.

El capacitor se parece un poco a las baterias, cuando tenemos buena corriente electrica el capacidor almacena un poco, asi que cuando se da un cambio dastrico en el flujo el capacitor libera esa carga para dar continuidad al flujo. Existe un delay entre la carga y la descarga de un capaci-tor, por ejemplo cuando la electricidad tiene bajas el capacitor libera energia , pero si tenemos una alta de electricidad el capaci-tor guardara esa energia restante.

Los capacitores se nominan a partir de la carga que puede guardar, y son medidos en Faradios (f). Un faradio es una gran cantidad de carga, por lo cual los capaci-tores que utilizaremos se mediran en microfaradios (mf o uf ) picafaradios (pf) y nanofaradios (nf).

Exiten capacitores con y sin polaridad, regulamente los que tienen polaridad tendran impresos los signos + - a lado de cada pata.


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Diodos.

Los diodos permiten el flujo de la electricidad en una sola dirección, esto significa que los diodos son polarizados y que solamente pueden ser ubicados en una sola dirección dentro de un circuito. Los diodos tienen dos patas una es el Catodo [ - ] y el Anodo [+]

Los diodos tienen una banda impresa que repre-senta la direccion de flujo de la electricidad por un lado fluira y por el otro impedira el paso.

LED ( Light emitting diode) estos diodos funcionana de la misma manera con la diferencia de que emiten luz en el proceso de flujo electrico.

Transistores.

Los transistores y los relays son dispositivos que funcionan como switches conrolados a partir de señales electronicas enviadas desde tu microcontro-lador.

Un transistor es capas de amplificar una señal hacerla ocilar y rectificarla, para poder trabajar con estas funciones en nesesario tener conocimientos avanzados de electronica.

Cables.

Power supply.

power connector.

voltage regulator.


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H- ArduinoArduino es una plataforma de computacion fisica, de codigo abierto. Se basa en el intercambio de datos via INPUT/OUTPUT ( i/o) y cuenta con ambiente de desarollo basado en el lenguaje de PROCESSING.(www.processing.org).

Arduino se compone de dos partes: La tarjeta I/O que es el elemento de hardware y el IDE ambiente de desar-rollo o software.

El IDE se utiliza para crear un skech ( un pequeño programa computacional) que despues se tranfiere a la terjeta, para que esta pueda saber que es lo que tiene que hacer con los transductores que tiene conectados.

La Tarjeta.La tarjeta arduino es un circuito que con-tiene una computadora dentro de un chip el ATmega186 el cual es el centro del microcontrolador.

14 Pins Digitals ( pins 0-13)Los pins digitales pueden ser utilizados como Inputs o Outputs, todo depende de nuestras nesecidades y de como lo espe-cifiquemos en nuesto skech.

6 Pins de entrada Analoga ( pins 0-5)Estos son pins dedicados a la lectura Input Análoga, toma lectura de sensores y los convierten en valores de entre 0 -1023.

6 Pins de salida de salida Analoga ( pins 3,5,6,9,10, 11) Estos pins pertenecen a los digitales pero pueden ser reprogra-mados dentro del skech para funcionar como salidas analogas.

La tarjeta se alimenta a traves del puerto USB, tambien podemos usar un alimenta-dor de corriente de 9 voltios.


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Instalando Arduino en la Computadora.

Para instalar arduino lo primero que tenemos que hacer es descargar el programa de la siguiente dirección: www.arduino.cc/en/Main/Software.Selecciona la version de acuerdo a tu sistema operativo: Windows, Linux, Mac OS X.

Una vez descargado el software damos doble click para descomprimirlo, obtendremos un archivo Arduino-Version, que puede ser arduino-0012( lo cual indica el numero de la version del programa). La carpeta la podemos mover a nuestras aplicaciones o a cualquier lugar donde queramos guardar el programa.

Instalando los drivers: Macintoshhttp://arduino.cc/en/Guide/MacOSX

Dentro de la carpeta arduino-0012 encontraremos otra carpeta llamada drivers, abrimos esta carpeta y encon-tramos un archivo llamado FTDIUSBSerialDriver_x_x_x.dmg ( _x_x_x.dmg sera remplazado con el numero de version del archivo, por ejemplo: FTDIUSBSerialDriver_2_2_9.dmg).

Damos click sobre el archivo para descomprimirlo, un asistente de nos guiara en los pasos de instalacion. Una vez realizada la instalación tenemos que reiniciar nuestras computadoras para que los drivers funcionen apro-piadamente.

Instalando Driver en Windowshttp://arduino.cc/en/Guide/Windows

Conecta la tarjeta arduino a la entrada USB de tu computadora, cuando la ventana de Found new hardware wizard aparesca en tu pantalla indica que windows va buscar primero un update en su sitio.

Windows va preguntarte si quieres realizar un update, selecciona no y da click en next.

En la siguiente pantalla selecciona "install from a list or specific location" y da click en siguiente.

Selecciona la caja con el titulo "Incluide this location in the serch" y luego da click en Browse. Selecciona el folder donde instalaste arduino y luego selecciona DRIVERS/FTDI USB Drivers como la carpeta de locacion y da click en OK y Next.

Windos Vista, intentara encontrar los drivers desde windows update, en caso de que esto falle, podemos instru-irlo para que tome los drivers desde la siguiente locación, Drivers/ FTDI USB Drivers.

Una vez instalado podemos abrir Arduino para comenzar a trabajar.


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Identificación de Puerto en Macintosh.

En el menú de herramientas de arduino , seleccionamos Tools/ Serial Port / dev/cu.usbserial..... este es el nombre que la computadora utiliza para referirse a la tarjeta arduino.

En la siguiente Imagen podemos ver una lista de los puertos disponibles.


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Identificación de Puerto en Windows

En Windows el proceso es un poco mas complicado. Abre el Device Manager dando click al menú de inicio, click derecho y selecciona Properties. En Windos XP da clcik en Hardware y selecciona Device Manager. En Vista click en Divice Manager ( aparece en Task List de lado izquierdo de la ventana).

Busca arduino en la lista "Ports (COM & LPT)" Arduino va aparecer como un USB SERIAL PORT y tendrá un nombre similar a COM3.

En la Imagen se muestra un ejemplo.


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Arduino IDE

IDE ( INTERGRATED DEVELOPMENT ENVI-ROMENT) es un programa especial que corre en tu computadora , para permitirte escribir skeches para la tarjeta arduino, en un lenguaje simple modelado a partir del lenguaje Process-ing, www.processing.org

Lo interesante ocurre cuando presionas el botón de exportar para subir el código que escribiste a la tarjeta, el código que escribiste es convertido al Lenguaje C ( que es regularmente muy com-plicado para quienes van iniciando) y trasladado al compilador avr-gcc, todo esto sucede para simplificar tu vida y disminuir la cantidad de código que tienes que escribir para trabajar con un microcontrolador.

El ciclo de programación de Arduino funciona de la siguiente manera.

>> Conecta tu tarjeta al puerto usb de tu computadora

>> Escribe un sketch que le de ordenes determinadas a tu tarjeta

>> Exporta el sketch de tu computadora a la tarjeta , primero dale un reset a tu tarjeta.

>> La tarjeta ejecutara el programa de manera continua hasta que instales otro programa.

Compilar Detener

Nuevo skech Abrir

Guardar Exportar

Monitorear Nueva Pestaña

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